سختی گیر رزینی Ion Exchange Resin Water Softener

سختی گیر رزینی Ion Exchange Resin Water Softener برای سختی زدایی معمولاً از دستگاه های سختی گیر استفاده می شود.
دستگاه شامل یک استوانه فلزی است، که در داخل آن مواد موثر در سختی زدایی (رزین های تبادل یونی) قرار گرفته است. رزین های مزبور، کلسیم و منیزیم را با سدیم تعویض کرده و آب سخت را به آب نرم تبدیل می کنند.

 

رزین های دستگاه سختی گیر پس از مدت زمان معین اشباع می شوند و کارایی خود را از دست می دهند. اگر رزین با محلول کلرو سدیم 10% شستشو شود، خاصیت سختی گیری خود را باز می یابد. غلظت های کمتر و یا بیشتر نمک اثر کمتری دارند. استفاده از آب های گل آلود و دارای مواد معلق، و همچنین آب هایی که دارای املاح آهن، منگنز، مس و دیگر فلزات سنگین می باشند، رزین ها را فرسوده و آبدهی دستگاه سختگیر را کم می کنند. توصیه می شود.


مروری بر سختی آب


در بیشتر مواقع آب تصفیه شده حاوی املاح معدنی و نمك های محلول بوده و كاملاً خالص نمی باشد. سختی آب شاخص كلیه املاح محلول نبوده و فقط برخی آنیون ها و كاتیون های آب را شامل می شود. سختی آب در درجه اول به تركیبات كلسیم و منیزیم و به میزان كمتری به سایر یون های فلزی با ظرفیت بالا مانند آهن، منگنز، آلومنیوم، سرب، استرنسیم، باریم مرتبط می باشد. بطور كلی آب سخت چه در بخش صنایع و چه مصارف خانگی و بهداشتی مشكلاتی را سبب می شود. از جمله مهمترین مشكلات ناشی از استعمال آب سخت در بخش صنعت، تشكیل لایه های رسوبی بر جداره دیگهای بخار، لوله های آب داغ و تأسیساتی است كه در مجاورت آب داغ قرار دارند. تجمع و افزایش ضخامت این لایه ها با مرور زمان منجر به عدم عملكرد مناسب هیترها، نیاز به صرف انرژی بالاتر و افزایش هزینه های نگهداری، تعمیرات و راهبری سیستم ها می شود. لایه های آهكی همچنین می توانند علاوه بر آسیب به ماشین آلات و تجهیزات صنعتی، خوردگی تأسیسات و افت فشار ‌آب، محیط مناسبی را برای رشد باكتری ها فراهم می آورند كه به تبع مشكلات ثانویه ای را سبب خواهند شد.

مفهوم سختی آب (Hardness)


به بخشی از مواد و فلزات محلول در آب گویند كه ماهیت رسوبی دارند و از تركیبات آهن، منگنز، استرانسیم، آلومینیوم و به خصوص كلسیم و منیزیم بوجود می‌‌آیند كه 4 مواد اول دارای نسبت بسیار كمتری در آب می‌‌باشند. بنابراین برای تمام مقاصد عملی می‌‌توان سختی كل را برابر با مجموع یون های كلسیم و منیزیم دانست.  البته در آب های طبیعی معمولاً غلظت كلسیم حدود 2 برابر منیزیم است در حالی كه در آب دریا غلظت منیزیم حدود 5 برابر كلسیم می‌‌باشد. اما به طور كلی سختی آب را می‌‌توان به دو بخش موقت یا دائم طبقه بندی نمود:

 سختی موقت آب (سختی كربناتی)


در حقیقت املاح بی‌كربنات كلسیم و منیزیم است كه در اثر حرارت دادن از حالت محلول به صورت غیر محلول و در نتیجه به رسوب تبدیل می‌‌شود.


سختی دائم (غیر كربناتی)


املاح سولفات، كلراید، نیترات و غیره با كلسیم و منیزیم است كه در اثر حرارت دادن رسوب نمی‌كند.
تمامی آب های طبیعی حاوی غلظتهای مختلفی از نمك های محلول هستند كه این نمك ها در آب تفكیك شده و یون های باردار بوجود می‌‌آورند. یونهای دارای بار مثبت كاتیون و یون های دارای بار منفی آنیون نامیده می‌‌شوند.

واحد سختی در كشورهای مختلف بصورت زیر است.


1- فرانسه: هر واحد سختی برابر است با 10 گرم گربنات كلسیم در 100 لیتر آب (10 میلی‌گرم در لیتر)
2- انگلیس: برابر است با یك گرم كربنات كلسیم در 70 لیتر آب (3/14 میلی‌گرم در لیتر Grain)
3- ایران و آمریكا: برابر است با یك گرم كربنات كلسیم در 100 لیتر آب (1 میلی‌گرم در لیتر PPM)

مبادله كننده یونی (رزین ها)


رزین‌های تعویض یونی ذرات جامدی هستند كه می‌‌توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان میزان از یون های مطلوب مشابه جایگزین نماید. رزین های مصنوعی از نوع سیلیكات آلومینیوم می باشند و به رزین های معدنی زئولیت گویند كه در طبیعت بصورت سنگهایی یافت می‌‌شود. این مواد, یون های سختی‌آور آب (كلسیم و منیزیم) را حذف كرده و به جای آن یون سدیم آزاد می‌‌كنند و از این رو به زئولیت های سدیمی مشهورند.

 
طبقه بندی رزین ها


رزین ها بر حسب گروه عامل قا بل تعویض متصل به پایه پلیمری به چهار دسته تقسیم می شوند :
رزین كاتیونی قوی Strong acidis cation (SAC)
رزین كاتیونی ضعیف Weak acidis cation (WAC)
رزین آنیونی قوی Strong basic anion (SBA)
رزین آنیونی ضعیف Weak basic anion (WBA)

1- رزین كاتیونی قوی Strong acidis cation (SAC)

رزین های كاتیونی قوی در هر محدوده PH عمل می كنند و قادر به حذف كلیه كاتیون ها ی موجود در نمك های قوی یا ضعیف هستند . به عبارت دیگر این دسته از مبادله كننده ها برای تبادل یون كاتیون در فرآیند سختی زدایی آب و در فرآیند تولید آب بدون یون مناسب هستند . گروه فعال در این دسته از مبادله كننده ها گروه سولفونیك یا HSO3 هستند . اصولاً زمانی كه هدف جداسازی كلیه كاتیونهای موجود در آب است ، بكار گیری توام رزین كاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر است .

2 - رزین كاتیونی ضعیف Weak acidis cation (WAC)

این نوع قلیائیت زدا برای کاهش سختی موقت، قلیائیت و املاح محلول آب مناسب می باشد و بار دستگاه سختیگیر و ستونهای کاتیونی قوی، آنیونی ضعیف و آنیونی قوی را کاهش می دهد با استفاده از رزینهای مبادله یونی می توان قلیائیت آب را تا حد متعارف کاهش داد. برای این منظور رزین کاتیونی ضعیف و یا رزین آنیونی قوی مناسب است. اگر رزینی که در نرم کننده مورد استفاده قرار می گیرد ، رزین کاتیونی اسیدی ضعیف باشد ، توانایی آن در جذب یون سدیم مانند رزین اسیدی قوی نیست . گروه فعال در این دسته از مبادله كننده ها گروه كربوكسیلیك یا COOH هستند . عامل چنین بستری در بالادست رزین اسید قوی مورد استفاده قرار می گیرد تا حفاظت بیشتری در برابر تشکیل رسوب به وجود آید . زمانیکه بستر در سرویس است ، رزین یون هیدروژن را جایگزین یونهای موجود در آب خام می کند . این کار ،احتمال تشکیل رسوب را کاهش خواهد داد . بسته به منبع آب PH آب نرم شده بین 5 و 6.5 خواهد بود. این PH پایینتر با تبدیل اکثر یونهای بی کربنات به دی اکسید کربن پتانسیل رسوب دهی کربنات را کاهش می دهد . به علاوه ، PH پایینتر حلالیت رسوبهای سولفات و کربنات را افزایش می دهد . یکی از نتایج نا مطلوب این سیستم ، وجود دی اکسید کربنی است که تشکیل می شود که اگر این سیستم به عنوان پیش تصفیه سیستم RO مورد استفاده قرار گیرد این دی اکسید کربن از غشای RO نفوذ می کند و در آب تصفیه شده دیده می شود . یکی دیگر از نتایج نامطلوب این سیستم ، هزینه گزاف بهره برداری از آن به دلیل هزینه زیاد احیا توسط اسید به جای استفاده از نمک است.

3- رزین آنیونی قوی Strong basic anion (SBA)

مانند رزین های كاتیونی قوی هستند و در هر محدوده PH عمل می كنند و همچنین قادر به حذف آنیونهای موجود در نمك های قوی و ضعیف هستند و برای حذف سیلیس آب بسیار مناسب هستند . گروه فعال در ساختار این نوع رزین ها ازت 4 ظرفیته یا گروه آمونیوم –NH4 می باشند .

4- رزین آنیونی ضعیف Weak basic anion (WBA)

این نوع رزین ها در PH بالای 6 آنیونهای آب را به راحتی حذف می كنند و معمولاً از تركیبات فنل فرمالدئید یا اپوكسی به جای استایرن ساخته می شوند .
این مبادله كننده ها قادر به حذف سیلیس از آب نیستند و معمولاً برای قرار گرفتن بعد از رزین های تبادل یونی اسیدی قوی مناسب هستند . گروه فعال در این نوع رزین ها معمولاً گروه آمینو یا – NH2 است .

استانداردهای آب ورودی به دستگاه تبادل یون رزینی

با توجه به اینكه رزینها دارای محدودیت هایی از نظر میزان آلاینده های ورودی می باشند، لذا آب ورودی به سیستم باید دارای خصوصیات به شرح ذیل باشد، لازم به ذكر است درصورت عدم تطابق آب خام ورودی به سیستم سختی گیر با شرایط ذیل كاركرد سیستم با مشكل مواجه خواهد شد و باید سیستم پیش تصفیه مناسب در نظر گرفته شود.

پارامترها حداكثر میزان مجاز
مقدار مجاز یون کلرین در آب ورودی به دستگاه تبادل یونی ppm0.5
مقدار مجاز کدورت آب ورودی به دستگاه تبادل یونی A. P. H. A Units5. 0
مقدار مجاز آهن آب ورودی به دستگاه تبادل یونی ppb100
مقدار مجاز منگنز آب ورودی به غشاها ppb100
دما کمترین حد
مناسب ترین دما C° 10
C° 35
مقرون به صرفه بودن در TDS کمتر از ppm700

آشنایی با عملكرد سیستم های سختی گیر رزینی


از جمله روشهای معمول در حذف سختی آب، استفاده از سیستم های سختی گیر رزینی (تبادل یونی) در حذف املاح مولد سختی از آب می باشد. در این سیستم ها، آب سخت با عبور از میان بستر رزین درون ستون های سختی گیر، املاح كلسیم و منزیم خود را با كاتیون تك ظرفیتی سدیم موجود مبادله نموده و آب نرم از سیستم خارج می شود. مكانیسم كلی این واكنش بصورت زیر می باشد (در این واكنش R نمایانگر رزین می باشد).
Ca (OH)2 + Na2R  CaR + 2 NaHCO3

بر این اساس، با عبور آب از بستر رزین، سدیم از سطح رزین جدا گشته و به فاز محلول وارد می شود، در حالی كه كلسیم از فاز محلول جدا و وارد فاز تبادل می شود. در طی این مكانیسم، به ازای هر كاتیون دو ظرفیتی مولد سختی، دو اتم سدیم وارد آب می شود. سختی زدایی به روش تبادل یونی از راندمان عملكردی بسیار بالایی برخوردار می باشد. با این وجود غلظت یون سدیم پس از مدت زمان مشخصی در سطح رزین كاسته شده و بدین ترتیب كارایی رزین كاهش می یابد. این حالت كه مرسوم به نقطه شكست یا نقطه پایانی است، احیا رزین را با محلول كلرید سدیم 10 % ایجاب می نماید تا یون سدیم حاصل از یونیزاسیون NaCl با یون كلسیم یا منیزیم جذب شده در سطح رزین تعویض شود. مكانیسم كلی این مرحله بصورت:


CaR + 2NaCl -> Na2R + CaCl2


سیكل عملكردی واحد سختی گیر رزینی


بطور كلی سیكل عملكردی سیستم های رزینی شامل 5 مرحله:
- سیكل نرم سازی آب
- سیكل شستشوی معكوس
- سیكل احیا سیستم
- سیكل شستشوی آرام
- سیكل شستشوی سریع


- سیكل عمكردی (Service) : ورود آب خام و انجام عملیات سختی گیری
- سیكل شستشوی معكوس (Backwash) : در این سیكل جهت جریان عكس حالت قبل بوده و ذرات به دام افتاده بر روی بستر رزین از جمله ذرات سیلت، رسوبات، ذرات آهن و ... از سطح رزین شسته می شوند. سیكل Backwash در یك سختی گیر معمول، نیازمند سرعت جریان در حدود (3 گالن در دقیقه / 13 لیتر در دقیقه) می باشد.


- سیكل احیا سیستم (Regeneration) : در این مرحله، محلول نمك به آرامی از روی بستر رزین عبور داده می شود تا رزین تا جای ممكن سدیم را از محلول جذب و ظرفیت تبادل خود را بازیابد.
- شستشوی آرام (Slow Rines) : در این مرحله، با شستشوی آرام بستر رزین، آب نمك مازاد از رزین شسته شده و خارج می شود.
- شستشوی سریع (Fast Rines) : در مرحله نهایی رزین ها تحت شستشوی سریع قرار می گیرند.

 

شماتیك كلی ستون سختی گیر رزینی

 

 


نكات موثر در طراحی و عملكرد سیستمهای سختی گیر رزینی

ظرفیت و بازدهی سختی گیرهای رزینی تحت تأثیر عواملی چون نوع و میزان رزین مورد استفاده، میزان مواد مورد استفاده در احیاء سیستم، غلظت محلول آب نمك، سختی آب ورودی به سیستم، دمای آب و زمان احیاء سیستم می باشد. از دیگر پارامترهای موثر در طراحی و عملكرد بهینه واحدهای سختی گیر رزینی توجه به كیفیت آب خام ورودی به سیستم می باشد. به عنوان مثال، چنانچه غلظت یون سدیم در آب خام ورودی بالا باشد، مانع از جذب و تعویض موثر یون های كلسیم و منزیم شده و سیستم تنها قادر به جدب میزان پایینی از عوامل مولد سختی خواهد بود. حضور یون های سولفات و كلراید در آب نیز می تواند سبب تشكیل تركیبات كلرید سدیم و سولفات سدیم گردد كه از پتانسیل زنگ زدگی یا خوردگی ماشین آلات و قطعات برخوردار می باشد. در این گونه موارد توصیه فنی بر استفاده از سایر روشهای جایگزین همچون سیستمهای اسمز معكوس در حذف عوامل سختی می باشد. به علاوه وجود تركیبات كلر آزاد، آهن، منگنز، مس، فلزات سنگین و نیز مواد معلق در آب ورودی سیستم می تواند سبب فرسایش و تخریب زود هنگام رزین ها، كاهش آبدهی سیستم و تقلیل بازدهی سیستم گردد. بر این اساس ضروری است تا پیش از طراحی سیستم، با توجه به كمیت و كیفیت آب خام ورودی به سیستمها، پیش تصفیه مناسب اتخاذ گردد.

مشخصات فنی سختی‌گیرهای رزینی


- قابلیت تحمل فشار بدنه صافی تا 5 بار
- جنس بدنه از بالاترین كیفیت های فایبرگلاس FRP/ كربن استیل با پوشش داخلی از سه لایه اپوكسی و پوشش خارجی مشتمل بر یك لایه رنگ ضد زنگ و یك لایه رنگ روغنی
- تأمین رزین دستگاه از انواع مرغوب رزین با ظرفیت تبادل و پایداری بالا
- دارای عدسی های استاندارد و دریچه های بازدید در بالا و پایین
- مجهز به آب پخش كن و آب جمع كن از مواد مقاوم PVC
- مجهز به مخزن نمك پلی اتیلن جهت احیا سیستم
- قابلیت تجهیز سیستم به شیر تمام اتوماتیك، نیمه اتوماتیك و دستی
- مجهز به لوله كشی های مناسب
- مجهز به شیر هواگیری، شیر تخلیه و مانومتر

محاسبه ظرفیت سختی گیر رزینی

- ابتدا سختی مینیمم و مقدار رزین را از فرمولهای زیر محاسبه نموده:
Grain min = 3.5*GPM*PPM*T

V Resin = 0.0045*GPM*PPM*T

T: زمان سیكل شستشو برحسب ساعت (در جدول زیر 8 ساعت كاری در نظر گرفته شده)
PPM: سختی موجود در آب (در جدول زیر 250 در نظر گرفته شده)


محاسبه حجم رزین لازم برای تصفیه آب

V= Q×T×L
C
Q = دبی آب ورودی به واحد تعویض یونی به m3/h
T = طول زمان سرویس دهی برحسب h (ساعت)
L = غلظت یون‌هایی كه باید از آب ورودی حذف شود برحسب معادل كربناتی
V = حجم رزین برحسب m3